Oberon, ein regenflugtauglicher Wärmebild-Quadkopter in Vollcarbon-Ausführung

  1. Einleitung
  2. Unterschiede zu kommerziellen Lösungen
  3. Details
  4. Einkaufsliste
  5. Ausblicke

 


Einleitung

 

Wir sind bereits seit mehreren Jahren in der Rehkitzrettung aktiv. Dabei geht es, technisch gesehen, in erster Linie darum, kleine wechselwarme Objekte (Rehkitze, ca. 20-30cm) im hohen Gras zu finden. Dazu verwenden wir möglichst hoch aufgelöste Wärmebildkameras auf Multikoptern. Je höher auflösend die Kamera ist, desto höher können wir bei der Suche fliegen, und damit Baumkronen sicher überfliegen. Die eigentliche Suche erfolgt autonom, dazu wird das Suchgebiet in ein Suchraster eingeteilt, das der Kopter GPS-gesteuert lückenlos abfliegt.

 

Ziel der Entwicklung war es nun, einen Schlechtwetter- und Regenflug-tauglichen Kopter für Such- und SAR-Aufgaben zu konzipieren. Die Anforderungen dabei waren:

  • Robustheit
  • Einfache Tauschbarkeit aller Teile, Verwendung möglichst handelsüblicher, erprobter Komponenten
  • Uneingeschränkte Flugfähigkeit bei Regen
  • Bestückung mit einer Wärmebildkamera der 640er-Klasse, gelagert auf einen Nadirgimbal, damit die Kamera immer orthogonal nach unten ausgerichtet ist
  • Akzeptable Flugzeit
  • Gewicht < 5kg

Es war klar, dass es sich dabei um kein „Anfänger“-Projekt handelt, das eine gewisse Entwicklungszeit bedurfte.

 

Das Ergebnis ist nun „Oberon“, ein Vollkarbon-Quadkopter, der alle oben genannten Anforderungen erfüllt:

  • Wasserdichtes Vollkarbonframe Pro4 von DeXModels
  • Flightcontroller Pixhawk2.1 („The Cube“) mit Arducopter mit geheizter IMU
  • volle Mavlink-Telemetrie über TBS Crossfire
  • T-Motor U5 mit 16″ T-Motor Carbonpropeller
  • Den Bestimmungen entsprechende Signalbeleuchtung (rot/grün/weiß) mit LED-Blitzern mit Linsen
  • 2 LiPos 6S 5200 parallel, im Innenraum wasserdicht gekapselt und symmetrisch verteilt
  • wasserdichter Feiyu-Tech Gimbal WG2, modifiziert für die Aufnahme einer gekapselten FLIR Vue ProR 640
  • Flugzeit > 30 Minuten im autonomen Missionsmodus
  • Abfluggewicht mit komplett mit Lipos und Kamera: 3936g

Die Videoübertragung erfolgt hier im Moment analog im 5,8GHz-Band, eine Digitalübertragung im 2,4GHh-Bereich ist aber je nach Anwendung auch möglich.

 


Unterschiede zu manchen anderen, kommerziellen Lösungen

  • Regenfestes Design <10k€ Anschaffungskosten
  • Aufbau auf Basis der offenen und vieltausendfach erprobten Pixhawk/Arducopter-Architektur
  • Verwendung robuster und handelsüblicher Komponenten
  • Hochauflösende Wärmebildkamera FLIR Vue Pro R640 mit 640×512 Pixel (327680 Pixel, Im Vergleich Yuneec GCO-ET: 22800 Pixel)
  • Modular ausbaubar, mit Bildübertragung nicht nur an den Steuerer, sondern auch drahtlos an beliebig viele weitere Bildempfänger, mit mobilen kleinen Monitoren an Bodenpersonal und z.B. auf den Großmonitor im Fahrzeug für Zuschauer

 


Die Details

Besonderheiten: Druckausgleich

Bei einem wasserdichten Kopteraufbau sind insbesondere zwei Punkte besonders zu beachten.

Druckausgleich für die barometergesteuere Höhenkontrolle des Flight Controllers: Alle modernen Flight Controller benutzen zur Höhensteuerung vor allem barometrische Luftdruckmessung (und nicht, wie manchmal angenommen, GPS). Bei einem wasserdicht gekapaselten Aufbau muss deshalb ein Druckausgleich zwischen Innenraum und Außenumgebung möglich sein. Wir haben für diesen Zweck eine kleine Goretex-Membran im Boden des Korpus eingesetzt:

 

Besonderheiten: Betriebswärmehaushalt

Die zweite Schwierigkeit, die besondere Beachtung verdient, ist der Wärmehaushalt des Systems. Anders, als bei einer herkömmlichen offenen Bauweise, bei der alle relevanten Teile durch den Luftstrom der Propeller mehr als ausreichend gekühlt werden, ist bei einem geschlossenen Korpus keine Luftzirkulation möglich. Die ESCs (Leistungsregler) der Motoren sind deshalb in den Gondeln unterhalb der Motoren untergebracht. Über Aluminiumwinkel, die mit wärmeleitenden Hochleistungskleber mit den Chip-Kühlkörper der Leistungs-FETs und kleinen Fingerkühlkörper verbunden sind, wird die Abwärme nach Außen in den Luftstrom der Propeller geleitet. Alle vier Regler-/Kühlkörper-Einheiten dienen so für die gesamte Elektronik als Wärmebrücke.
in unseren Messungen werden die ESCs so weniger als 30° warm, der wärmste Teil der Elektronik ist wunschgemäß die aktiv geheizte IMU des Flight Controllers. Auch die LiPos werden nur im Bereich 20-30° warm. (Außentemperatur ca. 25°).

  

Noch ein paar Details vom Aufbau:

 

 

 


Einkaufsliste

Da wir keinen kommerziellen Kopterbau betreiben, geben wir gerne unser Wissen und unsere Erfahrungen weiter. Hier also, auch zur Kostenschätzung, die Teileliste (Preise Stand 05/2018):

Kopter selbst

  • Frame DexModels Dex Pro4 600€
  • Flightcontroller Pixhawk 2.1 („The Cube“) 280€
  • GPS Drotek m8n 60€
  • Mauch BEC und Power Module 50€
  • Motoren: 4x T-Motor U5 400KV 500€
  • Propeller 4x T-Motor Carbon 16×5,4 150€
  • ESC 4x Hobbywing XRotor 40A 100€
  • PDB Matek mit 5V/12V-BEC 10€
  • Landegestelle 50€
  • Kühlkörper Kühlkörper für PGA, 25 x 28 x 15,3 mm 5€
  • Goretex-Membran 5€
  • Flytron 4x Blitz-LED mit Linsen 35€
  • Diverse 3D-gedruckte Teile
  • Endfest 300
  • Hitzeleitkleber
  • Carbon-Bodenplatte ca. D=100mm
  • Wasserdichter Taster mit LED 5V 2€
  • diverse Kabel, schwarzes Silikon (beste Outdoor-Qualität!), Flüssigkunststoff, viele Schrauben M3 und M2,5, Akku-Straps, XT90-Antispark-Stecker ca. 50€
  • Summe: 1897€

Akkusatz

  • 2x Multistar 6S5200 120€ (mit Fracht aus HK)
  • Lader, z.B. PowerTwin 1000 mit Netzteil 250€
    (Wir verwenden dazu noch zwei Autobatterien mit jeweils 60Ah. Das ermöglicht uns, vor Ort nochmals 4 Sätze Lipo nachzuladen. Mit 4 Lipo-Sätzen haben wir so eine Gesamt-Missionsflug-Dauer von 4 Stunden in der Luft pro Einsatz. Damit können wir rechnerisch ein Gebiet von 64ha abfliegen)

Wärmebild-Gimbal

  • FLIR Vue ProR 640 5100€
  • Gimbal Feiyutech WG2 280€
  • Flexibles Microfein-Kabel 20€
  • ImmersionRC-Sender mit Antenne 80€
  • Stecker: Mirco-USB 10-polig mit Lötfahne, Micro-USB Stecker und Kupplung, PS/2 ca. 30€
  • viele 3D-gedruckte Teile, Gummipuffer, Schrauben
  • Summe: 5510€

Fernsteuerung

  • Taranis X9D Plus 250€
  • Longrange-System TBS Crossfire mit MicroRX_V2 135€
  • Android-Tablet 200€
  • Summe: 585€

Bodenstation

Eine ausführliche Beschreibung der Bodenstation gibt es hier: Bodenstation. Die Gesamtkosten der Bodenstation mit Tracking und Boden-WLan kann man mit etwa 300€ ansetzen.

Gesamt mit Bodenstation also grob ca. 8500€ mit Wärmebildkamera und Lipo-Satz. Ohne Kamera liegt der Kopter als System bei 3500€.


Ausblicke

Was fehlt noch, bzw. was steht noch an?

Einiges selbstverständlich 🙂 :

  • Test der Performance mit einer 17″-Propellerbestückung
  • Noch kleinere Gewichtsoptimierungen nach der Test- und Erprobungsphase

Wenn jemand zu obigen Punkten gute Ideen hat, immer her damit 🙂 Das gilt selbstverständlich auch für Fragen. Wer Interesse an den STL-Dateien für den 3D-Druck hat, kann sich gerne mit uns in Verbindung setzen.

 

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